CURRICULUM VITAE DI DAVID VITALI
Tappe essenziali della carriera professionale
Nato a Narni (TR) il 19/5/1964
1983-1988: Corso di Laurea in Fisica dell' Università di Pisa. Voto di Laurea: 110 su 110 e
lode.
1988-1992: Perfezionamento in Fisica presso la Scuola Normale Superiore di Pisa.
Diploma di Perfezionamento in Fisica ottenuto il 19/03/1994 con voto 70/70 e lode.
Gennaio-Giugno 1992: Visiting lecturer presso l'Università del North Texas, Denton
(USA).
Gennaio-Maggio 1993: Borsa di Studio INFM presso l'Unità di Ricerca INFM di Pisa.
Agosto 1993-Ottobre 2001: Ricercatore universitario di Fisica Generale, raggruppamento
B01A, della Facoltà di Scienze M.F.N. dell'Università di Camerino. Confermato in ruolo
dal 5/08/1996.
Dal 1 Novembre 2001: Prof. Associato di Fisica della Materia (FIS/03) presso la Facoltà di
Scienze e Tecnologie dell’Università di Camerino. Confermato in ruolo dal 1/11/2004.
Aspetti essenziali dell’attività di ricerca
Autore di 132 pubblicazioni su riviste internazionali con referee e di circa 40
pubblicazioni su libri e atti di conferenze, con e senza referee (vedi elenco allegato)
Più di 3100 citazioni e Indice h = 31 (indice di Hirsch = numero di pubblicazioni con
almeno h citazioni) (riferito alla banca dati ISI, aggiornato a giugno 2013). Rispetto a
Google scholar più di 4500 citazioni e h = 35.
Invited speaker a 34 conferenze internazionali (vedi elenco allegato)
Guest editor delle seguenti pubblicazioni: a) “Proceedings of the 3rd Workshop on
Mysteries, Puzzles and Paradoxes in Quantum Mechanics”, Zeitschrift fur Naturforschung
Section A 56 (1-2), 2001. b) Topical Issue “Mysteries, Puzzles and Paradoxes in Quantum
Mechanics IV: Quantum Interference Phenomena”, Journal of Optics B: Quantum and
Semiclassical Optics, Volume 4, Number 4, August 2002; c) “Quanta of Light, Matter, and
Information: A Festschrift in honour of Paolo Tombesi”, Fortschritte der Physik, Volume
57, Issue 11-12, 2009.
Visiting scientist presso l'Ecole Normale Supérieure di Parigi (1997, 2000, 2002, 2006),
l'Università del Queensland, Brisbane (Australia) (1998), l'Università di Oxford (1999),
l'Università di Innsbruck (2000, 2005), l’Università di Vienna (2005, 2006), Università di
Bonn (2007), Università di Mainz (2007), MIT (Cambridge, MA) (2008), Caltech (2008),
Yale (2011).
Visiting professor presso l’Università Autonoma di Barcellona (2006)
Vincitore di una borsa di ricerca di tre mesi per Ricercatori Stranieri Senior, offerta dalla
Città di Parigi, per svolgere attività di Ricerca presso l’Ecole Normale Supérieure di Parigi.
Stage di ricerca svolto nei periodi 1/09/2004-15/10/2004 e 1/12/2004-31/01/2005.
Referee delle seguenti riviste internazionali: “Nature Physics”, “Physical Review Letters”,
“New Journal of Physics”, “Physical Review A”, “Physical Review D”, “Journal of Physics
A”, “Journal of Physics B”, “Europhysics Letters”, “European Journal of Physics D”,
“Journal of Modern Optics”, “Physics Letters A”, “Journal of the Optical Society of
America B”, Physica Scripta
Partecipante ai programmi di ricerca finanziati dalla Commissione Europea (EC): a) TMR
“Non classical light” (1992-1994); b) RTN “QUEST” (1999-2003); c) RTN “CONQUEST”
(2004-2008), d) STREP “QUELE” (2004-2007) d) IP “SCALA” (2005-2009); e) IP
“QAP” (2005-2009).
Partecipante ai seguenti progetti finanziati dal MURST/MIUR: a) PRIN 1997
“Amplificazione e rivelazione di radiazione quantistica”; b) FIRB 2001 “Schemi di
crittografia quantistica efficienti in condizioni reali”; c) PRIN 2002 “Fenomeni di coerenza
quantistica in mezzi ottici non lineari”.
Partecipante ai seguenti progetti finanziati dall’INFM: PRA 1997 “CAT.”, PAIS 2000
“Entanglement and Decoherence”, PAIS 2002 “MEPTRAP”.
Partecipante al progetto finanziato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)
“QUCORP”, (Quantum Control of Radiation Pressure Noise) (2004-2005).
Partecipante al progetto finanziato dall’Istituto Nazionale di Fisica Nucleare (INFN)
“SQUALO”, (Raggiungimento del Limite Quantistico Standard con Mezzi Ottici) (20082009).
Conferenze internazionali alle quali ho partecipato come invited speaker
1.
“Fluctuations in Physics and Biology: Stochastic Resonance, Signal Processing and Related
Phenomena”, Marciana Marina , Isola d’Elba, 5-10 Giugno 1994
2.
“Quantum Computing and Quantum Communications : First NASA International
Conference, QCQC '98”, Palm Springs, California, USA, 17-20 Febbraio 1998
3.
“Quantum decoherence, information and chaos", Heron Island, Australia, 21-25 Settembre
1998
4.
“III Adriatico Research Conference on Quantum Interferometry”. ICTP Trieste, 1-5 Marzo
1999
5.
“6th International Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations”, Napoli, 24-29
Maggio 1999.
6.
“Entanglement and decoherence”, Gargnano (BS), 20-25 Settembre 1999.
7.
“Macroscopic Quantum Coherence and Quantum Computing”, Napoli, 14-17 Giugno 2000
8.
“5th International Conference on Quantum Communication, Measurement and Computing”,
Capri (NA), 3-8 Luglio 2000.
9.
“Mysteries, Puzzles and Paradoxes in Quantum Mechanics”, Gargnano (BS), 17-23
Settembre 2000
10. “Mysteries, Puzzles and Paradoxes in Quantum Mechanics”, Gargnano (BS), 27 Agosto1Settembre 2001
11. “International Conference on Experimental Implementations of Quantum Computation”,
Sydney, Australia, 16-19 Gennaio 2001
12. “Quantum Information Theory Workshop”, Gold Coast, Australia, 21-25 Gennaio 2001
13. “Cooling 2002”, Visby, Svezia, 8-13 Giugno 2002
14. “INFM Meeting”, Bari, 24-28 Giugno 2002
15. “8th International Conference on Squeezed States and Uncertainty Relations”, Puebla,
Messico, 9-13 Giugno 2003.
16. “International Conference Physics and Control 2003”, San Pietroburgo, Russia, 20-24
Agosto 2003.
17. “Mysteries, Puzzles and Paradoxes in Quantum Mechanics”, Gargnano (BS), 1-5 Settembre
2003
18. “Advances in Foundations of Quantum Mechanics and Quantum Information with atoms
and photons”, Torino, 26-28 Aprile 2004,
19. “Meccanica Quantistica e Computazione Quantistica”, IIASS "E.R. Caianiello", Vietri sul
Mare, 18-20 Marzo 2005.
20. “Workshop on Theory and Technology in Quantum Information, Communication,
Computation and Cryptography”, ICTP Trieste, 19-23 Giugno 2006.
21. “Laser Physics”, Losanna, 24-28 Luglio 2006
22. “Congresso Nazionale Società Nazionale di Fisica 2006, Torino 18-23 settembre 2006
23. “European Conference on Lasers and Electro-Optics and the International Quantum
Electronics Conference (CLEO®/Europe-IQEC)”, Monaco di Baviera, 17-22 giugno 2007
24. “3rd International IEEE Scientific Conference on Physics and Control (PhysCon 2007)”,
Potsdam, 3-7 Settembre 2007
25. “Advances in Foundations of Quantum Mechanics and Quantum Information with atoms
and photons”, Torino, 19-23 Maggio 2008
26. “Quantum/Classical Control in Quantum Information”, Otranto, 13-20 Settembre 2008.
27. “Open Quantum Systems: Decoherence and Control”, Cambridge, MA (USA), 20-22
Novembre 2008.
28. “Cavity Cooling of atoms, molecules and ions”, Obergurgl, Tirol, Austria, 4-8 Febbraio
2009.
29. “International Conference on Scalable Quantum Computing with Light and Atoms”, Cortina
d’Ampezzo (BL), 15-22 Febbraio 2009
30. “Quantum Control Theory: Probabilistic and Geometrical Aspects”, Padova, 28-29
Settembre 2009
31. QuantumComm 2009: International Conference on Quantum Communication and Quantum
Networking”, October 26 – 30, 2009 Vico Equense, Italy
32. “10th International Conference on Quantum Communication, Measurement and Computing”,
Brisbane, QLD, Australia, July 19-23, 2010
33. ICTP Workshop on “Nano-Opto-Electro-Mechanical Systems Approaching the Quantum
Regime”, Sept. 6-10, 2010, Trieste
34. “Congresso Nazionale Società Nazionale di Fisica 2011, L’Aquila 26-30 settembre 2011
35. “Advances in Foundations of Quantum Mechanics and Quantum Information with atoms
and photons”, Torino, 21-25 Maggio 2012
36. “International School of Physics and Technology of Matter”, Otranto 16-22 Settembre 2012
37. “Quantum Science Symposium” Cambidge, Regno Unito, 1-2 Novembre-2012
38. “Quantum Optics VI”, Piriápolis, Uruguay, 12-16, Novembre 2012.
Attività di coordinamento della ricerca
Coordinatore del nodo associato dell' Università di Camerino al progetto FP5-IST-FET IP
finanziato dalla Unione Europea, dal titolo “ACQUIRE” (2000-2003).
Coordinatore del nodo dell' Università di Camerino del Network of Excellence for Quantum
Information Processing and Communication “QUIPROCONE”, finanziato dalla EC (20002003).
Coordinatore locale del PRIN 2001 “Controllo della decoerenza nell'elaborazione
dell'informazione quantistica”.
Coordinatore nazionale del PRIN 2005 “Generazione, manipolazione e rivelazione di luce
entangled per comunicazioni quantistiche”
Coordinatore del Nodo dell’Università di Camerino del Progetto STREP nell’ambito del
ICT FET Open Call FP7-ICT-2007-C dal titolo “Micro- and Nano-Optomechanical Systems
for ICT and QIPC” (MINOS) (2008-2011)
Coordinatore di 4 Borse per Giovani Ricercatori Indiani finanziate dal MIUR (2 nel 2007 e
2 nel 2008).
Referee di progetti di ricerca per il MIUR, per la Israel Science Foundation e per il “Fond
Quebecois de la Recherche”.
ATTIVITA’ ORGANIZZATIVE
Per 8 anni accademici (dal 1998/99 al 2005/06) Delegato all’Orientamento e ai Rapporti con
le Scuole Superiori della Classe 25 di Scienze e Tecnologie Fisiche.
Dal Maggio 2006 ad oggi: Presidente del Consiglio Congiunto della Classi 25 (Classe
delle Lauree in Scienze e Tecnologie Fisiche) e 20/S (Classe delle Lauree Specialistiche
in Fisica)
Membro del Comitato organizzatore delle seguenti conferenze internazionali:
1. “Quantum Communication, Measurement, and Computing”, Capri, 3-8 luglio 2000
2. “Entanglement and decoherence”, Gargnano (BS), 20-25 Settembre 1999;
3. “Mysteries, Puzzles and Paradoxes in Quantum Mechanics”, Gargnano (BS), 17-23
Settembre 2000;
4. “Mysteries, Puzzles and Paradoxes in Quantum Mechanics”, Gargnano (BS),
27/08/2001-01/09/2001
5. International Meeting “Foundations of Quantum Information” Università di
Camerino, 16–19 Aprile 2004.
6. International Meeting “Recent Challenges in Novel Quantum Systems” Università di
Camerino, 6–9 Luglio 2005.
7. “International Conference on Scalable Quantum Computing with Light and Atoms”,
Cortina d’Ampezzo (BL), 15-22 Febbraio 2009
ATTIVITA DIDATTICA
Esercitazioni svolte da ricercatore universitario
Per nove anni accademici (dal 1992/93 al 2000/01): Corso di “Istituzioni di Fisica Teorica”
del III anno del Corso di Laurea in Fisica.
Per due anni accademici (1992/93 e 1993/94): Corso di “Fisica” del I anno del Corso di
Laurea in Biologia
Per un anno accademico (1994/95): Corso di “Metodi Matematici della Fisica” del III anno
del Corso di Laurea in Fisica
Per un anno accademico (2001/02): Corso di “Equazioni differenziali” del II anno del Corso
di Laurea in Fisica (Triennale, Nuovo ordinamento)
Corsi tenuti come titolare
Dall’anno accademico 1995/96 al 2001/02: Corso di “Ottica non lineare” per il IV anno del
Corso di Laurea in Fisica (vecchio ordinamento) (Supplenza retribuita)
Dall’anno accademico 2002/03 al 2008/09: Corso di “Ottica non lineare” per la Laurea
Specialistica in Fisica (valido anche per il Corso di Dottorato in Fisica)
Dall’anno accademico 2002/03 03 al 2008/09: Corso di “Metodi Matematici II” per il III
anno del corso di Laurea Triennale in Fisica
Dall’anno accademico 2002/03 al 2003/04: Corso di “Metodi Matematici I” per il II anno
del corso di Laurea Triennale in Fisica
Dall’anno accademico 2004/05 al 2006/07: Corso di “Fisica Statistica” per il II anno del
corso di Laurea Triennale in Fisica
Dall’anno accademico 2009/2010 ad oggi: Corso di Fisica Generale I, per il I anno del
Corso di Laurea Triennale in Fisica
Attività didattiche supplementari
Relatore di 6 tesi di laurea in Fisica presso l’Università di Camerino (quadriennale, vecchio
ordinamento). Relatore di 6 tesi di laurea in Fisica Triennale (Dissertazione). Relatore di 3 tesi
di laurea Specialistica in Fisica.
Relatore esterno di 4 tesi di laurea in Fisica presso l’Università di Pisa e di una presso
l’Università di Milano (quadriennale, vecchio ordinamento).
Relatore di 6 tesi di Dottorato in Fisica dell’Università di Camerino, del cui Collegio Docenti
faccio parte sin dalla sua istituzione.
Referee esterno di 8 tesi di Dottorato in Fisica presso altre sedi italiane e straniere. Per questo
motivo ho fatto parte della Commissione d’esame finale di Dottorato in Fisica dell’ Università
di Palermo (1999), dell’Università di Salerno (Dicembre 2003, Febbraio 2007, Marzo 2013),
dell’Università di Milano (Febbraio 2004, Dicembre 2005), Ecole Normale Supérieure di Parigi
(Luglio 2002, Giugno 2011), Scuola Normale Superiore di Pisa (Marzo 2009), Niels Bohr
Institute Copenhagen (Giugno 2013).
Coordinatore (e docente), nel 2002 e nel 2003, di un Corso di Aggiornamento in Fisica per
docenti di discipline scientifiche delle Scuole Superiori delle Marche
BREVE DESCRIZIONE DELL’ATTIVITA’ DI RICERCA
Nella mia attività di ricerca, iniziata nel 1989, mi sono occupato di vari campi della Fisica,
specialmente nell’ambito della Fisica della Materia. Inizialmente ho studiato varie applicazioni dei
sistemi fisici non lineari e stocastici, specialmente nel campo dei dispositivi superconduttori, e
successivamente ai sistemi ottici ed atomici.
Dal 1993 ho iniziato ad interessarmi sempre più alle possibili applicazioni pratiche della
meccanica quantistica, in particolare modo dell’ottica quantistica e dei sistemi a pochi atomi e
ioni intrappolati. Tale mio interesse è coinciso con il prepotente sviluppo, a partire dal 1994, del
nuovo campo dell’Informazione Quantistica, che ha costituito e costituisce tuttora un nuovo modo
di vedere la fisica quantistica. Ci si è resi conto infatti che le leggi quantistiche, che governano il
mondo microscopico delle particelle atomiche e subatomiche, forniscono un nuovo modo naturale
di elaborare, processare e scambiare informazione. Io mi sono occupato di alcuni campi molto
importanti dell’informazione quantistica. In particolare ho studiato varie proposte di
implementazione di computer quantistici, che se realizzati, permetterebbero di risolvere alcuni
problemi molto più velocemente di un qualunque computer classico. Poi ho studiato vari aspetti
della comunicazione quantistica, basata sia sull’uso di luce debole, a singoli fotoni, sia nel caso di
luce intensa in cui si sfruttano le proprietà del campo elettromagnetico.
Più di recente mi sono occupato di una particolare e affascinante forma di comunicazione, il
teletrasporto quantistico, che consiste nel trasportare a distanza le proprietà quantistiche di un
sistema e anche della possibilità di usare i fotoni per comunicazioni criptate, la cosiddetta
crittografia quantistica, coadiuvando il laboratorio di Ottica quantistica che ho contribuito a
sviluppare presso il dipartimento di Fisica.
Come testimoniato dal gran numero di citazioni, molto noti sono i miei lavori sul controllo
e la riduzione della decoerenza quantistica, il fenomeno per cui le proprietà di coerenza
quantistica, che è l’ingrediente fondamentale dell’informazione quantistica, vengono distrutte
dall’interazione con l’ambiente esterno. Ho sviluppato infatti vari metodi di controllo quantistico,
specie per sistemi ottici ed atomici.
Altro campo in cui ho ottenuto ottimi risultati è quello dei dispositivi opto-meccanici, in cui
si sfrutta l’accoppiamento della luce con micro-oscillatori meccanici per realizzare sensori di forze
e di spostamenti di altissima sensibilità. Tali sensori sono in grado di arrivare ai limiti imposti
dalla meccanica quantistica e dal principio di indeterminazione di Heisenberg e possono essere
utilizzati nei microscopi a forza atomica o nei rivelatori di onde gravitazionali.
DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’ATTIVITA’ DI RICERCA
(I riferimenti si riferiscono all’elenco completo di tutte le mie pubblicazioni che è riportato
subito dopo questa descrizione dettagliata)
La mia attività di ricerca è iniziata con la tesi di laurea in Fisica quasi 20 anni fa (dalla quale
è stato tratto il lavoro [1]) ed ha riguardato vari campi della Fisica della Materia. La mia attività di
ricerca è di natura principalmente teorica, anche se negli ultimi anni ho partecipato attivamente
all’allestimento di un Laboratorio di Ottica ed Informazione Quantistica presso il Dipartimento di
Fisica dell’Università di Camerino, che mi ha permesso di partecipare a lavori di carattere
sperimentale.
Dare una descrizione completa ed esauriente dei risultati della mia attività scientifica è
abbastanza complesso; ho preferito pertanto concentrarmi sui risultati più recenti e che hanno avuto
una maggiore risonanza internazionale. Per chiarezza di esposizione ho suddiviso i vari temi di
ricerca affrontati in tre argomenti distinti: 1) controllo della decoerenza quantistica; 2)
informazione quantistica ed entanglement in sistemi atomici ed ottici; 3) sistemi
optomeccanici quantistici. Tali temi presentano notevoli connessioni tra di loro e pertanto una tale
suddivisione può risultare per certi versi arbitraria. Ciò però non è sorprendente perché quasi tutta la
mia attività di ricerca è stata ispirata dalla meccanica quantistica e dai suoi aspetti non-intuitivi, e
una delle motivazioni di fondo della mia ricerca (come di moltissimi altri fisici nel mondo, si veda
ad esempio Nature Insight su “Quantum Coherence”, Nature, vol. 453, n. 7198, giugno 2008) è
quella di comprendere più a fondo il passaggio dal mondo microscopico governato dalla fisica
quantistica al mondo macroscopico classico. Questa motivazione scientifica non è disgiunta dall’
interesse per i possibili sbocchi tecnologici di tali ricerche: da più di un decennio ormai è infatti
noto che gli aspetti più paradossali della meccanica quantistica come la non-località costituiscono
una potente risorsa che permette di svolgere compiti (ad esempio la crittografia quantistica)
altrimenti impossibili con mezzi classici.
Controllo della decoerenza quantistica
La decoerenza è il processo per il quale uno stato quantistico sovrapposizione lineare di
diverse componenti si trasforma nella corrispondente miscela statistica in cui la coerenza dello
stato, cioè le fasi relative tra le varie componenti della sovrapposizione, è parzialmente o
completamente distrutta. La decoerenza si verifica in ogni sistema aperto, cioè quando un grado di
libertà è accoppiato ad uno o più gradi di libertà esterni (l’”ambiente”) e la si può descrivere in vari
modi equivalenti. I termini di interferenza tra le varie componenti dello stato iniziale tendono
progressivamente a zero per effetto di campi esterni o forze fluttuanti o perché la coerenza
quantistica si trasferisce dal sistema di interesse all’ambiente circostante generando correlazioni
quantistiche (entanglement) sistema-ambiente che diventano non-osservabili proprio perché è
impossibile monitorare tutti i gradi di libertà dell’ambiente.
Ho studiato la dinamica della decoerenza in generale in vari lavori [14,19,48,52,54],
concentrandomi più di recente su una descrizione model-independent [39,46] che si è dimostrata in
grado di spiegare in dettaglio la decoerenza osservata in esperimenti che studiavano oscillazioni di
Rabi nell’eccitazione di ioni intrappolati.
La decoerenza è un fenomeno onnipresente, che costituisce la principale limitazione per
tutte le applicazioni basate sull’interferenza quantistica, sia in dispositivi a stato solido come pure in
fisica atomica (si pensi ad esempio agli orologi atomici che sono basati sulla interferometria
Ramsey). Per questo motivo, sin dall’inizio, la mia attività di ricerca si è dedicata allo sviluppo di
strategie per controllare e diminuire e controllare la decoerenza piuttosto che ad una sua
semplice descrizione. Da questo punto di vista, alcuni miei lavori sono stati pionieristici
[20,23,24,28,29,31,33], perché hanno mostrato per la prima volta che era possibile concepire e
attuare strategie in grado di bloccare la perdita di coerenza quantistica di un sistema.
Nei lavori [20,23,24,28,29,31] abbiamo sviluppato una descrizione teorica consistente del
feedback quantistico, cioè di come si possa descrivere la dinamica di un sistema quantistico
sottoposto ad una misura continua nel tempo e in cui il risultato della misura sia usato per guidare il
sistema in uno stato fisico desiderato. Tale descrizione non è banale perché se la misura è fatta in un
regime quantistico, la misura perturba in maniera significativa il sistema e la “back-action”
quantistica della misura su tutte le osservabili che non commutano con la variabile misurata
(principio di Heisenberg) va trattata in modo opportuno. In particolare abbiamo applicato tale teoria
al caso di sistemi di ottica quantistica sottoposti a misure omodina del campo elettromagnetico
[20,23,24] o a misure del numero di fotoni [28,29,31] e abbiamo mostrato come esistano degli
opportuni controlli attivi (feedback) che permettono un’alta protezione delle coerenze dello stato,
cioè di bloccare in modo significativo gli effetti di decoerenza. Nel caso dei lavori [28,29,31] la
proposta è stata applicata ad esperimenti di cavity-QED esistenti; in tal caso la misura viene
effettuata su un atomo che ha interagito con la cavità e il feedback è in grado di proteggere quasi
perfettamente uno stato iniziale arbitrario. Tale proposta è stata poi perfezionata e migliorata in
collaborazione con l’Ecole Normale Superieure a Parigi in lavori successivi [36,42,66,73] e la sua
realizzazione sperimentale è attualmente allo studio in tale laboratorio.
Il feedback basato su misure di omodina del campo all’uscita di una cavità è stato usato
anche per ingegnerizzare e generare stati non classici del moto di particelle intrappolate in cavità in
[37,38,40]. Abbiamo anche studiato come l’efficienza del feedback basato sulle misura di omodina
sia influenzata dal tempo di ritardo del loop di feedback; se il ritardo non è trascurabile, si hanno
effetti di memoria nella dinamica difficili da analizzare, ma in [34] abbiamo risolto il problema e
mostrato che tali schemi di feedback funzionano accettabilmente anche in presenza di ritardi
paragonali alle scale temporali del sistema in esame.
Il feedback quantistico permette di controllare la decoerenza (e più in generale la dinamica)
di un sistema con controlli ad anello chiuso (i campi di controllo sono guidati dal segnale
misurato). Una strategia alternativa è quella dei controlli ad anello aperto, in cui si controlla la
dinamica con campi dipendenti dal tempo, opportunamente ingegnerizzati, ma indipendentemente
da misure. I miei lavori [33,56,60] hanno dato un contributo significativo anche nel campo del
controllo della decoerenza con controlli “open-loop” : abbiamo infatti ideato il cosiddetto “paritykick” control, che è di applicabilità molto generale e che mediante l’applicazione periodica di
impulsi di area fissata permette di disaccoppiare completamente un sistema dal suo bagno termico
se tali impulsi sono sufficientemente frequenti. Abbiamo considerato poi l’efficienza di tale schema
nel caso di impulsi di durata ed intensità finita e mostrato come il parametro cruciale per valutare
l’efficacia di tali schemi sia il prodotto tra frequenza degli impulsi e tempo di correlazione del
bagno termico: il disaccoppiamento del bagno (e la conseguente inibizione di dissipazione,
decoerenza e rumore) si verifica solo se tale prodotto è maggiore di uno [33]. In [56,60] abbiamo
applicato i parity-kicks al caso di ioni intrappolati e mostrato come essi possono eliminare in modo
efficiente il riscaldamento dovuto alle fluttuazioni del potenziale intrappolante. Al momento sto
lavorando insieme al nostro laboratorio su un esperimento in cui tali controlli impulsivi sono
applicati per sopprimere la decoerenza sulla polarizzazione di impulsi a singolo fotone nella
propagazione lungo fibre ottiche, ma tale lavoro è ancora in fase di completamento.
Un ulteriore strategia per controllate la decoerenza, nata nel 1995 è la “quantum error
correction”, cioè la generalizzazione al caso quantistico dei codici informatici per correggere gli
errori nei processori di informazione classica. Tale campo è divenuto poi molto popolare, specie nel
campo della informazione quantistica, e si basa sull’idea di codificare l’informazione da proteggere
in maniera ridondante, cioè in più bit invece che in uno solo. Nel caso quantistico questo significa
“codificare” uno stato generico in uno stato a dimensione più ampia. Di recente mi sono occupato
anche di questa strategia di protezione di uno stato dalla decoerenza: nei lavori [77,87,88] abbiamo
studiato come fare la codifica in uno spazio di Hilbert a dimensione infinita e abbiamo studiato la
sua possibile realizzazione con fasci ottici interagenti in un mezzo Kerr [77], con uno ione
intrappolato [87] e con un un fascio di atomi neutri che attraversano una cavità [88]. Invece nel più
recente lavoro [107] abbiamo proposto in generale un tipo di codifiche in dimensione generica
adattate in modo da cancellare la sola decoerenza di fase.
Un'altra possibile strategia che abbiamo suggerito per il controllo della decoerenza si basa
sull’utilizzo di modulazioni di tipo stocastico con proprietà statistiche particolari (distribuzioni di
probabilità non-gaussiane con code lunghe) che sembrano adatte per diminuire la decoerenza in
cavità ottiche e sistemi atomici [59,61,68].
Informazione quantistica ed entanglement in sistemi atomici ed ottici
Attorno al 1994-95 è esploso il campo della informazione quantistica: in realtà pre-esisteva già una
ricerca teorica che cercava di estendere al caso quantistico le problematiche tipiche della teoria
dell’informazione e più specificatamente della comunicazione. Tale campo però era molto limitato
e penalizzato dal fatto che le eventuali applicazioni sembravano remote e poco interessanti. Il
campo è esploso, non solo dal punto di vista teorico, ma anche dal punto di vista sperimentale, con
la scoperta di algoritmi quantistici, (cioè che funzionano su ipotetici computer quantistici che
elaborano qubit, cioè sistemi a due livelli quantistici, al posto di bit classici) molto più efficienti del
loro analogo classico. I due algoritmi quantistici più noti sono quello della fattorizzazione in numeri
primi di Shor, esponenzialmente più veloce, e quello di Grover, per la ricerca in un database,
quadraticamente più veloce. Questo ha fatto che si che nascesse un interesse non solo teorico ma
anche sperimentale nell’informazione quantistica, perché diventava di fondamentale importanza
individuare il sistema fisico più adatto nel realizzare un computer quantistico.
Allo stesso tempo si affermava la crittografia quantistica, cioè la disciplina che permette di
cifrare l’informazione in stati quantistici in maniera intrinsecamente sicura sfruttando l’inevitabile
effetto della misura in meccanica quantistica. Infatti essa era stata proposta teoricamente 10 anni
prima, ma attorno al 1995 molti gruppi dimostrarono la sua efficacia in laboratorio, usando impulsi
a singolo fotone sia in atmosfera che in fibra.
I sistemi dell’ottica quantistica, cioè cavità ottiche, sistemi a singoli fotoni, o atomi e ioni
manipolabili individualmente si prestano in maniera ottimale per testare le idee e i principi
dell’informazione quantistica e per questo motivo la mia attività di ricerca si è rivolta ad alcuni
aspetti della informazione quantistica. In una serie di lavori [44,45,55] abbiamo proposto un
possibile schema di computer quantistico in cui i qubit sono rappresentati da stati di Fock in
cavità ad alta finesse (ottiche o a microonde) e in cui le porte logiche sono realizzate mediante
l’interazione controllata con atomi.
Abbiamo poi volto la nostra attenzione al possibile uso di qubit fotonici (in cui la
informazione quantistica è codificata nella polarizzazione, o anche altri gradi di libertà di impulsi a
singolo fotone) come interfaccia per protocolli di comunicazione. Nel lavoro [41] abbiamo mostrato
come sia possibile realizzare in maniera deterministica e completa il teletrasporto dello stato di
polarizzazione di un singolo fotone usando una non-linearità di tipo Kerr, e come sia sempre
possibile ottimizzare tale teletrasporto anche in condizioni di debole non-linearità. Infatti tutte le
realizzazioni sperimentali del teletrasporto di stati fotonici fino a quel momento erano
probabilistiche ed erano in grado di teletrasportare solo una classe ristretta di stati.
Stimolati dal risultato generale [41] abbiamo poi iniziato un analisi accurata di come si
possa realizzare una non-linearità Kerr sufficientemente forte per implementare porte logiche su
qubit a singolo fotone. Infatti le non-linearità Kerr usuali non sono in grado di superare gli effetti
delle perdite a livello di singolo fotone e si deve ricorrere a dei mezzi ottici opportunamente
ingegnerizzati. Una soluzione possibile proposta in [41] è quella di usare la non-linearità indotta
dalla trasparenza indotta elettromagneticamente (EIT) che genera forti proprietà dispersive del
mezzo e quindi notevoli sfasamenti non-lineari, anche a livello di singolo fotone. Lo schema base
per la EIT è un ensemble atomico a tre livelli (Lambda): in una serie di lavori di successo abbiamo
determinato come sia possibile modificare tale schema per avere un porta logica di fase tra due
qubit in polarizzazione, deterministica e poco affetta dalle perdite, considerando schemi a cinque e
quattro livelli [69,76,78,82]. Abbiamo poi generalizzato e perfezionato il modello in una serie di
lavori successivi, in cui tutte le possibili fonti di imperfezione della porta (perdite, collisioni…)
sono state accuratamente considerate [85,90,91,94]. Abbiamo mostrato che una porta di fase
quantistica tra qubit a singolo fotone è realizzabile se i due impulsi a singolo fotone
sufficientemente stretti in frequenza sono mandati collinearmente su ensemble di atomi intrappolati
in MOT (trappole magneto-ottiche) ed abbiamo mostrato ciò nel caso specifico di una cella di Rb87.
Un altro filone di ricerca che ho intrapreso è quello dello studio di sistemi ottico-atomici in
grado di generare in maniera robusta ed ottimale entanglement tra sistemi distanti. L’entanglement è
la correlazione quantistica non-locale che si ha tra due gradi di libertà in uno stato quantistico non
fattorizzabile ed è l’ingrediente essenziale per molti protocolli di comunicazione quantistica, come
il teletrasporto, il cloning a distanza, la codifica densa. Nei lavori [86,89,95,99,108] abbiamo
mostrato come un singolo atomo intrappolato in cavità, opportunamente eccitato da impulsi
laser esterni, sia in grado di generare fasci di radiazione entangled in quadratura. Più in
dettaglio, si può generare entanglement tra fasci in uscita dalla cavità a frequenze diverse [86,89,99]
oppure a tempi separati da un tempo di ritardo programmabile [108]. Abbiamo svolto in tali lavori
un’analisi accurata di tutte le possibili sorgenti di rumore e abbiamo mostrato come questi fasci
entangled possano essere generati con apparati allo stato dell’arte, sia in cavità ottiche [86,89], che a
microonde [99]. Allo stesso tempo, nel lavoro [102] ho mostrato come stati entangled di ensemble
atomici di atomi di Rydberg possano essere generati usando cavità a microonde ed utilizzati per
esperimenti di interferometria in grado di raggiungere la sensibilità quantistica limite imposta
dal principio di Heisenberg.
Ho anche affrontato alcuni aspetti più formali e generali della teoria dell’entanglement e del
suo legame con il teletrasporto. Nel lavoro [63] abbiamo svolto uno studio attento e generale di
come si possa generare una famiglia di criteri operativi e di facile implementazione, in grado di
stabilire se due sistemi sono entangled oppure no. Invece in [81] abbiamo visto sotto quali
condizioni si può ottimizzare il teletrasporto facendo opportune misure su un sottosistema di un
sistema multipartito.
Sistemi optomeccanici quantistici
I sistemi optomeccanici in cui un grado di libertà meccanico è accoppiato ad un fascio laser
grazie alla pressione di radiazione sono comunemente utilizzati in molti dispositivi (accelerometri,
microscopi a forza atomica, sensori di gas). Con lo sviluppo dei rivelatori interferometrici di onde
gravitazionali a partire dagli anni 80 (VIRGO, LIGO) è sorto il problema del loro comportamento
nel limite quantistico in cui la natura quantistica della luce influenza la sensibilità di tali sensori. In
un sensore optomeccanico infatti, spostamenti infinitesimi di un vibratore meccanico possono
essere misurati rivelando lo sfasamento indotto su un fascio riflesso da tale oscillatore. Nel caso del
passaggio di un onda gravitazionale, il segnale è talmente lieve che è necessaria una sensibilità non
più influenzata dai rumori “tecnici” (termico, sismico, rumore del laser) ma solo dai rumori
fondamentali legati alla natura discreta (fotonica) della radiazione, lo shot noise e il rumore di
pressione di radiazione. Quest’ultimo è il rumore in ampiezza della radiazione ed è legato dal
principio di indeterminazione di Heisenberg allo shot noise (che è invece legato alla variabile non
commutante data dalla fase del campo); per questo motivo il rumore di pressione di radiazione
viene anche detto “back-action” noise.
La mia attività di ricerca su tali sistemi è iniziata con il lavoro [30] in cui abbiamo mostrato
come un feedback quantistico basato su misure di omodina possa essere utilizzato per raffreddare
un oscillatore macroscopico. Nel nostro schema consideriamo una cavità ottica con uno specchio
vibrante: si esegue una misura omodina della uscita della cavità e il segnale risultante viene usato
per modulare un controllo attivo sullo specchio. L’anno successivo tale proposta fu dimostrata
sperimentalmente a Parigi, ma più di recente il lavoro [30] ha avuto un rinnovato successo perché
molti laboratori hanno dimostrato il nostro “feedback cooling” su molti altri sistemi
(microscopi a forza atomica e magnetica, l’antenna gravitazionale AURIGA,….). Dal punto di visto
teorico abbiamo esteso e perfezionato il lavoro [30] con una serie di lavori: in [53,67] abbiamo
mostrato come il feedback cooling possa essere esteso al limite quantistico e quindi sia in grado di
portare un oscillatore con massa dell’ordine del microgrammo allo stato fondamentale quantistico.
Tale importante risultato è stato perfezionato e generalizzato di recente nei lavori [105,106] dove
abbiamo sviluppato una teoria generale del raffreddamento di oscillatori micro-meccanici e
confrontato nei vari regimi il feedback cooling con il laser-cooling che si ha quando la cavità è
opportunamente detunata. Il raffreddamento allo stato fondamentale di un oscillatore meccanico è
interessante di per se perché rappresenta una evidente manifestazione della meccanica quantistica a
livello macroscopico, ma rappresenta anche una condizione di grande utilità per raggiungere la
sensibilità ultima per la rivelazione di spostamenti o forze deboli determinata dal principio di
Heisenberg (limite quantistico standard, SQL). Abbiamo analizzato il rapporto segnale su rumore
in presenza di feedback quantistico per sensori optomeccanici nei lavori [49,53,58,75,96]: in
[53,58] abbiamo mostrato come per forze impulsive sia molto vantaggioso utilizzare strategie non
stazionarie in cui il feedback viene attivato e spento alternativamente in modo che l’oscillatore
meccanico sia libero e quindi molto sensibile, ma allo stesso tempo ancora sufficientemente freddo.
In [75] abbiamo studiato come ottimizzare il quantum feedback basato su omodina per ridurre la
pressione di radiazione su VIRGO (di interesse per Advanced Virgo che lavorerà con potenze più
elevate). Infine in [96] abbiamo visto se e quando è utile usare come driving luce entangled.
In un'altra serie di lavori mi sono interessato di quando e come dispositivi optomeccanici
possono essere utilizzati in applicazioni di comunicazione quantistica. Infatti la pressione di
radiazione permette di accoppiare in maniera efficace modi ottici e modi vibrazionali, che possono
essere usati in maniera efficiente come memorie quantistiche. Una condizione essenziale per
realizzare memorie quantistiche in grado di immagazzinare e trasferire lo stato di un fascio ottico è
l’entanglement tra i gradi di libertà coinvolti. Il lavoro [57] è stato il primo in assoluto a mostrare
come sia possibile generare entanglement stazionario e robusto tra oscillatori meccanici
distanti (ad esempio due specchi di una stessa cavità). Questo lavoro è stato poi perfezionato e
modificato in lavori successivi dove abbiamo dimostrato schemi alternativi di entanglement tra vari
oscillatori meccanici in varie configurazioni: a due cavità [84], con l’entanglement swapping [92], e
in una semplice cavità Fabry-Perot [97,100,104]. In questi ultimi lavori ci siamo concentrati anche
sull’entanglement tra modi ottici e modi meccanici e abbiamo mostrato come sia possibile
generare questo tipo di entanglement in modo robusto, a temperature superiori a quelle criogeniche.
In [109] abbiamo visto come l’entanglement possa essere esteso al caso tripartito in cui si consideri
un ensemble atomico all’interno della cavità: scegliendo opportunamente i detunings, si può
ottenere un robusto entanglement tripartito atomi-cavità-modo meccanico che può essere utile per
realizzare interfacce quantistiche.
L’entanglement optomeccanico è l’ingrediente essenziale per realizzare delle reti
quantistiche di comunicazione in cui gli elementi meccanici svolgono il ruolo di nodi fissi
(interfacce e memorie) e la radiazione trasferisce l’informazione quantistica da un nodo all’altro. In
tale ambito abbiamo mostrato come sia possibile realizzare il teletrasporto di uno stato della
radiazione su un modo vibrazionale di uno specchio [65,71] e come tale idea possa essere estesa
per realizzare reti ed altri protocolli come il telecloning [72,74].
Infine ho anche mostrato come molti aspetti della fisica di sistemi optomeccanici possono
essere trasferiti ai sistemi elettromeccanici: ad esempio ho mostrato in [103] come oscillatori
accoppiati capacitivamente con cavità a microonde o circuiti a radio-frequenza si comportino in
modo analogo alle cavità ottiche con specchi mobili e che anch’essi possono generare
entanglement.
ELENCO DI TUTTE LE PUBBLICAZIONI DI DAVID VITALI
Pubblicazioni su riviste internazionali
[1] D. Vitali, P. Grigolini, “Subdynamics, Fokker-Planck equation and exponential decay of
relaxation processes”, Phys. Rev. A 39, 1486-1499, (1989) .
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Math. Gen. 22, L453-L456, (1989).
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J. Phys. A: Math. Gen. 23, L85-L88, (1990).
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nonlinear Schrödinger equation: collapses and revivals as a sign of quantum fluctuations”, Phys.
Rev. A 42, 4452-4461 (1990).
[6] D. Vitali, P. Grigolini, “Nonlinear effects in quantum dissipation”, Phys. Rev. A 42, 7091-7106
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relaxation process: I. Equilibrium properties”, Phys. Rev. A 43, 2624-2631 (1991).
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process: II. Dynamical properties”, Phys. Rev. A 44, 876-883 (1991) .
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